中間層對(duì)K465高溫合金電子束焊接裂紋敏感性及接頭性能的影響

袁鴻 王金雪 張國(guó)棟 余槐 高健時(shí)

摘要：通過(guò)調(diào)節(jié)焊接熱輸入和添加中間層合金等方法研究高Al、Ti含量的K465鑄造高溫合金的電子束焊接裂紋敏感性。結(jié)果表明，減小焊接熱輸入和添加低Al、Ti含量的中間層能夠改善合金的熱裂紋傾向;焊縫及熱影響區(qū)沿晶界析出的碳化物等低熔點(diǎn)液體薄膜受應(yīng)力作用是產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。含F(xiàn)e的中間層重新合金化焊縫金屬，改善了焊縫組織的塑性、韌性，破壞了碳化物等低熔點(diǎn)相的連續(xù)性，避免焊縫凝固裂紋的產(chǎn)生;接頭具有優(yōu)異的室溫及高溫拉伸性能，但高溫持久性能不足。

關(guān)鍵詞：電子束焊接;裂紋敏感性;高鋁鈦;鑄造鎳基合金;中間層

中圖分類號(hào)：TG456.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0001-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.01

0 ? ?前言

K465合金是一種高A1、Ti含量等軸晶鑄造鎳基高溫合金，具有較高的承溫能力、高溫強(qiáng)度和耐腐蝕性能，廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 ℃以下工作的渦輪葉片、渦輪導(dǎo)向器的制造[1]。Al、Ti是鎳基鑄造合金的主要強(qiáng)化元素，隨著Al、Ti含量的增加，合金中強(qiáng)化相γ'體積百分?jǐn)?shù)增加，合金的高溫強(qiáng)度相應(yīng)增加，但是熔焊工藝性越來(lái)越差。通常認(rèn)為對(duì)于鎳基高溫合金而言，其Al、Ti含量較高，焊接熱裂紋傾向大，而且元素Ti對(duì)合金可焊性的影響明顯高于Al元素[2];當(dāng)合金w（Al+Ti）>6%，采用熔化焊方法不可焊或難焊接[3]。K465合金w（Al+Ti）接近8%，是典型的高Al、Ti含量的鑄造高溫合金，焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生焊縫凝固裂紋和熱影響區(qū)液化裂紋，焊后熱處理過(guò)程中還容易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效裂紋[4-6]。因此，K465合金渦輪葉片和導(dǎo)向器等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的焊接與修復(fù)普遍采用釬焊方法。受釬焊間隙小、面積大、釬料流動(dòng)距離長(zhǎng)等因素影響，釬縫內(nèi)部容易形成缺陷[7]。由于釬焊質(zhì)量合格接頭的持久強(qiáng)度僅能達(dá)到母材性能的40%[8]，釬焊結(jié)構(gòu)的使用條件和服役壽命受到限制。已有研究結(jié)果表明[9]，工藝參數(shù)優(yōu)化和焊縫填絲合金化可以顯著改善接頭中的偏析程度和消除焊縫凝固裂紋。

文中對(duì)K465合金電子束焊接裂紋敏感性進(jìn)行研究，通過(guò)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化、添加焊縫中間層合金消除焊接裂紋，并測(cè)試了無(wú)裂紋接頭力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用真空感應(yīng)熔煉制備K465合金φ50 mm的試棒，合金化學(xué)成分見表1。試棒經(jīng)1 210 ℃/4 h、AC固溶熱處理。采用線切割和機(jī)械磨削加工方法將試棒片切為3.0 mm厚的試板，試板規(guī)格為40 mm×100 mm。接頭形式為平口對(duì)接，采用不同的電子束焊接工藝參數(shù)組合獲得較好的焊縫正面、背面成形。分別選擇3種合金作為中間層，確定相應(yīng)的電子束焊接工藝參數(shù)并獲得焊接接頭。

采用放大鏡目視和金相顯微鏡觀察焊縫表面和內(nèi)部裂紋，并對(duì)無(wú)裂紋接頭截取力學(xué)性能試樣，然后測(cè)試分析接頭的室溫及高溫拉伸性能，以及975 ℃持久性能。采用奧林巴斯GX51光學(xué)顯微鏡、FEI Quanta600掃描電鏡（SEM）觀察焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 K465合金電子束焊接裂紋敏感性

為確定良好焊縫成形的焊接工藝參數(shù)組合，分別采用兩組工藝參數(shù)獲得焊接接頭，如表2所示。

由表2可知，兩組工藝參數(shù)只是焊接速度有改變，并匹配相應(yīng)的焊接束流。因而焊接線能量E（E=ηUIb/v）和熱輸入Q不相同?？梢院鲆晝山M工藝條件的能量利用因子η的差異，因此線能量E1∶E2=4∶3，熱輸入Q1>Q2。

兩組焊接工藝參數(shù)下接頭的焊縫正面成形和橫截面形貌分別如圖1、圖2所示。1#工藝獲得的接頭沿焊縫縱向中心線存在貫通性裂紋，裂紋幾乎完全穿透（見圖1a），裂紋沿著電子束中心作用線縱向開裂（見圖1b）。2#工藝焊接速度增加后焊縫縱向裂紋得到抑制，但焊縫區(qū)出現(xiàn)數(shù)條均勻分布的橫向裂紋，如圖2所示。

Al、Ti含量較高的K465合金熱裂紋傾向較強(qiáng)，且鑄造組織塑性差、內(nèi)應(yīng)力大，熱裂傾向更大。高能量密度的電子束作用于合金，瞬時(shí)周期的熱循環(huán)和快速冷卻形成細(xì)小的柱狀晶組織，如圖3所示。焊縫熔融金屬的快速冷卻抑制了γ'相的大量析出，γ'相呈不規(guī)則形態(tài)分布，沿細(xì)小的柱狀晶晶界析出大量的碳化物相（見圖3d），焊縫區(qū)還存在極少量γ-γ'共晶。

沿晶界析出的碳化物、共晶等熔點(diǎn)較低，在焊縫熔池金屬結(jié)晶后期被排擠在柱狀晶交遇部位，形成液態(tài)薄膜和糊狀固-液兩相區(qū)。這種薄膜收縮受到拉應(yīng)力產(chǎn)生的縫隙無(wú)法填充，在焊接應(yīng)力作用下生成結(jié)晶裂紋（熱裂紋）并迅速擴(kuò)展[10]，如圖4a所示。而承受應(yīng)力的程度不同，裂紋擴(kuò)展的形式也不相同，1#工藝的焊接應(yīng)力明顯大于2#工藝。

兩種工藝條件下的焊接熱影響區(qū)的液化裂紋如圖4b所示。熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)影響，γ'部分回溶，形態(tài)不規(guī)則。晶界受熱循環(huán)影響局部共晶成分偏析而發(fā)生低熔共晶物重新液化在應(yīng)力作用下形成裂紋。

因此，碳化物、共晶等低熔點(diǎn)相形成的液體薄膜是熱裂紋產(chǎn)生的主要根源，拉伸應(yīng)力是裂紋產(chǎn)生的必要條件。對(duì)比兩種工藝條件下焊接裂紋傾向性特點(diǎn)和接頭微觀組織特征，僅憑優(yōu)化選擇焊接工藝參數(shù)、調(diào)節(jié)焊接熱輸入等方法很難有效地控制K465鑄造高溫合金的電子束焊接熱裂紋。控制焊接過(guò)程不均勻加熱和冷卻過(guò)程造成的熱應(yīng)力、焊縫非平衡相變?cè)斐傻拇阌步M織應(yīng)力以及抑制焊縫低熔點(diǎn)共晶相的生成等是改善合金裂紋傾向性的主要技術(shù)途徑。

2.2 中間層對(duì)電子束焊接裂紋的影響

分別選用N1、N2、F1三組中間層分別獲得的K465合金電子束焊接接頭外觀形貌如圖5所示。結(jié)果表明，采用F1中間層焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，N1、N2兩組中間層接頭的裂紋數(shù)量也明顯減少。

中間層合金的選擇依據(jù)以降低焊縫金屬的Al、Ti含量為前提，N1、N2中間層基于K465合金組成進(jìn)行金屬元素含量調(diào)整，F(xiàn)1中間層引入了Fe元素。添加中間層后的焊縫熔敷金屬元素成分如表3所示。重新合金化后的焊縫w（Al+Ti）明顯低于K465合金，但Ni、Co、W、Cr等主要元素差異顯著，F(xiàn)1中間層的Fe含量高。F1中間層接頭經(jīng)焊后固溶熱處理后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如圖6、表4所示，其室溫及高溫拉伸性能分別達(dá)到K465合金母材的96.5%和89.0%，性能水平較高，但是接頭的975 ℃高溫持久性能較低（見表4），與K465合金225 MPa/40 h的技術(shù)要求還有較大差距，僅達(dá)到約80 MPa。拉伸及持久均斷裂于焊縫區(qū)域。

F1中間層接頭SEM顯微組織如圖7所示。焊縫區(qū)域無(wú)裂紋，碳化物含量明顯減少（見圖7a、7b）。但是在近縫區(qū)間或發(fā)現(xiàn)晶界液化裂紋（見圖7d），晶間裂紋的存在必然會(huì)降低接頭的高溫持久性能。

分析認(rèn)為，低Al、Ti含量和大量Fe元素加入中間層參與焊縫金屬的重新合金化，促進(jìn)了焊縫非平衡組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力的降低，微觀組織塑性和韌性等性能得到改善，破壞了晶界碳化物等低熔點(diǎn)相的連續(xù)性，防止焊縫凝固裂紋的產(chǎn)生。含F(xiàn)e元素的中間層有助于改善焊縫區(qū)域的塑、韌性，抑制焊縫凝固裂紋，但過(guò)量的Fe降低了焊縫區(qū)域的高溫抗氧化性能，所以，選擇低Al、Ti含量的含F(xiàn)e的中間層只是一種思路，F(xiàn)1中間層合金的成分還有待于進(jìn)一步優(yōu)化，比如降低Fe含量以改善抗氧化性能;控制S、P、C等[11]，不僅能形成低熔點(diǎn)相，還能促使偏析，大大增加焊縫凝固裂紋敏感性。

對(duì)熱影響區(qū)而言，焊接熱循環(huán)不均勻加熱和冷卻過(guò)程造成的熱應(yīng)力、非平衡相變?cè)斐傻慕M織應(yīng)力以及低熔點(diǎn)相并未因?yàn)橹虚g層的加入而得到控制。電子束焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)焊前預(yù)熱尤其是焊后冷卻速率的控制，促進(jìn)熱影響區(qū)組織平衡轉(zhuǎn)變和降低焊接應(yīng)力，有效控制熱影響區(qū)的液化裂紋，從而改善接頭力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）K465鑄造高溫合金具有較強(qiáng)的電子束焊接裂紋敏感性，通過(guò)調(diào)整電子束工藝參數(shù)、減小焊接熱輸入能夠有效降低合金焊接裂紋傾向。

（2）K465合金電子束焊縫及熱影響區(qū)沿晶界析出的碳化物等低熔點(diǎn)相，在結(jié)晶后期形成液態(tài)薄膜，受到焊接應(yīng)力作用形成熱裂紋并迅速擴(kuò)展。

（3）加入低Al、Ti含量的中間層，能夠顯著改善K465合金的熱裂紋傾向。含F(xiàn)e的中間層通過(guò)重新合金化焊縫金屬，能夠降低非平衡組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力，改善微觀組織塑性和韌性等，破壞了碳化物等低熔點(diǎn)相的連續(xù)性，消除焊縫凝固裂紋。接頭具有優(yōu)異的室溫及高溫拉伸性能，但高溫持久性能不足。

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